Nghiên cứu xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng trong công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy

Bảng 3.13: ết quả xác định hệ số lan truyền của hệ chất HĐBM bọt chữa

cháy tạo màng nước 62

Bảng 3.14: Ảnh hưởng của hydroxyethyl cellulose đến độ nở và thời gian

bán hủy 64

Bảng 3.15: Ảnh hưởng của glycerin đến nhiệt độ đông đặc 65

Bảng 3.16: Ảnh hưởng Urea đến độ nhớt 65

Bảng 3.17: Giá trị pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB : NPE và các chất

phụ gia tại thời điểm ban đầu 66

Bảng 3.18: Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB : NPE và các chất phụ gia theo thời gian ủ nhiệt 66

Bảng 3.19: ết quả xác định hệ số lan truyền của hệ tạo bọt

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 136 trang tài liệu này.

chữa cháy tạo màng nước 67

Bảng 3.20: ết quả khảo sát thứ tự đồng hóa hệ AFFF 68

Bảng 3.21. ết quả khảo sát thứ tự phối trộn các nguyên liệu 68

Bảng 3.22. ết quả khảo sát thời gian khuấy và tốc độ khuấy 70

Bảng 3.23. Công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 70

Bảng 3.24: Thông số k thuật chính của chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước .71

Bảng 3.25: Độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM hydrocarbon 72

Bảng 3.26: Độ nở và thời gian bán hủy của dung dịch FB 72

Bảng 3.27: Sự tương hợp của các hỗn hợp chất HĐBM 73

Bảng 3.28. Giá trị pH và σ của hệ FB : SLES tại thời điểm ban đầu 75

Bảng 3.29. Biến thiên pH và σ của hệ FB : SLES theo thời gian ủ nhiệt 75

Bảng 3.30: Giá trị pH và σ của hệ FB : SLES : NPE tại thời điểm ban đầu 76

Bảng 3.31: Biến thiên pH và σ của hệ FB : SLES : NPE theo thời gian ủ nhiệt ...76

Bảng 3.32: Biến thiên pH và σ của hệ FB : SLES : NPE : PFAC theo thời

gian ủ nhiệt 77

Bảng 3.33: Biến thiên pH và σ của hệ FB : SLES : NPE : PFAC theo thời

gian ủ nhiệt 77

Bảng 3.34: hảo sát độ nở, thời gian bán hủy của hệ chất HĐBM 78

Bảng 3.35: ết quả tính toán σ của các thí nghiệm quy hoạch theo

ma trận yếu tố toàn phần 79

Bảng 3.36: ết quả thí nghiệm theo Box – Hunter của hệ chất HĐBM

dùng cho chế tạo AR-AFFF 80

Bảng 3.37. ết quả xác định hệ số lan truyền của hệ chất HĐBM bọt chữa

cháy tạo màng nước bền rượu 83

Bảng 3.38: hảo sát thời gian bán hủy khi có mặt xanthan gum 84

Bảng 3.39: hảo sát độ nở và thời gian tiết nước của hệ AR1

khi có mặt xanthan gum 84

Bảng 3.40. Giá trị pH và σ của các mẫu bọt bền rượu tại thời điểm ban đầu 85

Bảng 3.41. Biến thiên pH và σ của các mẫu bọt bền rượu theo thời gian ủ nhiệt .85

Bảng 3.42: ết quả xác định hệ số lan truyền 86

Bảng 3.43: ết quả khảo sát thứ tự đồng hóa 86

Bảng 3.44: ết quả khảo sát thứ tự phối trộn các chất trong bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu 87

Bảng 3.45: ết quả khảo sát thời gian khuấy và tốc độ khuấy của bọt chữa

cháy tạo màng nước bền rượu 89

Bảng 3.46: Công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu ..89

Bảng 3.47: ết quả kiểm tra thông số k thuật chính của chất tạo bọt chữa

cháy tạo màng nước bền rượu 90

Bảng 3.48: Ảnh hưởng của các hợp chất chứa silic đến dung dịch AFFF 94

Bảng 3.49: ết quả thử nghiệm xác định thời gian dập cháy của bọt tạo màng nước theo quy mô nhỏ 100

Bảng 3.50: ết quả thử nghiệm hiệu quả dập cháy chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu 100

Bảng 3.51: ết quả thử nghiệm đối với phun mạnh 101

Bảng 3.52: ết quả thử nghiệm đối với phun nhẹ 101

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Bọt được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt 4

Hình 1.2: Bọt chữa cháy tạo màng nước chữa cháy bể xăng dầu

và trạm xăng dầu 5

Hình 1.3: Dung dịch bọt được tạo từ 6% chất tạo bọt đậm đặc – 94% nước 6

Hình 1.4: Hình ảnh mô tả cách tạo màng bọt lan tỏa trên

đám cháy hydrocarbon lỏng [26] 7

Hình 1.5: Cơ chế dập cháy của bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu

đối với nhiên liệu 8

Hình 1.6: Bọt chứa chất HĐBM fluor hóa trên bề mặt nhiên liệu 13

Hình 1.7. Quá trình hình thành bọt silica 17

Hình 1.8: Mô hình cháy kiểu tam giác 20

Hình 1.9. Mô tả quá trình hình thành bọt chữa cháy 21

Hình 1.10: Cơ chế hóa học cho sự hình thành bọt silica 25

Hình 1.11. Thử nghiệm bọt chữa cháy có chứa Silok-2235 25

Hình 1.12. So sánh cơ chế chữa cháy của bọt chứa silicon và bọt AFFF 26

Hình 2.1: Minh họa sức căng bề mặt để tính toán hệ số lan truyền 32

Hình 2.2. Sơ đồ đo khả năng tạo bọt 33

Hình 2.3. Sơ đồ xác định độ ổn định bọt 34

Hình 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ DCF đến sức căng bề mặt của nước 50

Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sức căng bề mặt của các chất HĐBM theo nồng độ...51

Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn hàm mục tiêu σ theo nồng độ chất HĐBM 60

Hình 3.4: Các đường đồng mức biểu diễn giá trị σ theo nồng độ các chất

HĐBM 61

Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ butyl diglycol đến hệ chất HĐBM 63

Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn SCBM của các chất HĐBM theo nồng độ 74

Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn hàm mục tiêu σ theo nồng độ chất HĐBM 81

Hình 3.8: Các đường đồng mức biểu diễn giá trị σ theo nồng độ các chất

HĐBM 82

Hình 3.9. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đối với chất tạo bọt bền rượu 89

Hình 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng hợp chất chứa silic đến SCBM của

dung dịch nước 91

Hình 3.11: Hạt silica tại giao diện không khí/nước 92

Hình 3.12. Ảnh hưởng của hàm lượng hợp chất chứa silic đến SCBM

của dung dịch AFFF 92

Hình 3.13. Tương tác phân tử tại mặt phân cách không khí/chất lỏng 94

Hình 3.14. Các mẫu bọt tạo thành bằng k thuật 2 ống tiêm 95

Hình 3.15. Sự thay đổi hình thái bong bóng bọt theo thời gian 97

Hình 3.16. Cấu trúc bong bóng còn lại sau 2 giờ 98

Hình 3.17. Cơ chế ảnh hưởng của nồng độ nano đến ổn định bọt 99

Hình 3.18: Thử nghiệm hiệu quả dập cháy của dung dịch bọt AFFF

có chứa natri silicat 102

Hình 3.19: Thử nghiệm chống cháy lại của dung dịch bọt AFFF

có chứa natri silicat 103

MỞ ĐẦU

Hỏa hoạn là mối đe dọa lớn với con người. Tại Việt Nam, theo thống kê của Cục cảnh sát phòng cháy chữa cháy và cứu nạn cứu hộ, năm 2020 cả nước xảy ra

535.4 vụ cháy, làm 89 người chết, bị thương 184 người và thiệt hại tài sản ước tính 416,15 tỷ đồng; cháy rừng xảy ra 306 vụ, gây thiệt hại 1.094,15 ha rừng… [1]. Những hậu quả thiệt hại về con người và tài sản do cháy nổ gây ra rất lớn. Cháy có thể xảy ra ở bất kì đâu, trong tất cả các lĩnh vực.

Nước thường được sử dụng để dập tắt các đám cháy rừng, cháy nhà, cháy thuyền bè... được làm từ các vật liệu tự nhiên như gỗ, tre nứa, cỏ, lá... Ngày nay, nó vẫn là chất chữa cháy chủ yếu với khả năng làm mát tốt và giá thành rẻ [2]. Tuy nhiên, nước không hiệu quả với đám cháy xăng, dầu hay các chất lỏng dễ cháy khác do nước có tỷ trọng lớn hơn các nhiên liệu này [3-4]. Đám cháy có nguồn gốc từ nhiên liệu lỏng có tốc độ cháy nhanh, thời gian dài và bức xạ nhiệt mạnh, có thể dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho môi trường xung quanh [5-10]. Do đó, việc nghiên cứu, chế tạo chất chữa cháy hiệu quả, dập tắt nhanh chóng có ý nghĩa vô cùng quan trọng.

Với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, bọt chữa cháy đã được nghiên cứu thành nhiều loại đáp ứng cho từng mục đích khác nhau. Chất tạo bọt chữa cháy được ứng dụng để dập tắt đám cháy, ngăn cản sự cháy lại trong các vụ cháy chất rắn, chất lỏng dễ cháy, hơi khí nén, cháy trạm biến áp, nhà xưởng, tàu thuyền chở nhiên liệu...[11] Với tính chất dập cháy nhanh, phổ biến nên bọt chữa cháy hiện nay là loại chất chữa cháy được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường.

Ở nước ta, việc nghiên cứu, sản xuất các sản phẩm bọt chữa cháy còn hạn chế, chủ yếu là nhập khẩu. Đặc biệt là dòng sản phẩm bọt chữa cháy tạo màng nước (Aqueous film forming foam concentrate – AFFF) và chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (Alcohol resistant - aqueous film forming foam concentrate AR-AFFF). Vì vậy, nghiên cứu chế tạo các sản phẩm bọt chữa cháy đáp ứng nhu cầu sử dụng và chủ động sản xuất trong nước là việc làm hết sức cần thiết. Các sản phẩm bọt chữa cháy này là một hỗn hợp phức tạp với thành phần chính là các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) hydrocarbon và fluorocarbon. Hai dòng chất HĐBM này đều có những ưu, nhược điểm riêng. Việc nghiên cứu sử dụng phối hợp các chất HĐBM với các phụ gia để chế tạo bọt chữa cháy hiệu năng cao cần được tiến hành.

Do đó, việc thực hiện đề tài luận án: "Nghiên cứu xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng trong công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy" có tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn.

Mục đích của luận án:

- Xây dựng hệ các chất hoạt động bề mặt bền nhiệt từ một số chất hoạt động bề mặt, phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao và đặc tính của từng đối tượng cháy;

- Tối ưu hóa hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt xây dựng được, ứng dụng trong sản xuất chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF) và chất tạo bọt tạo màng nước bền rượu (AR-AFFF) đạt TCVN;

- Đánh giá khả năng ứng dụng một số hợp chất chứa silic nhằm nâng cao hiệu quả dập cháy cho bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF.

Để thực hiện được các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây đã được triển khai thực hiện:

- Nghiên cứu phân tích, đánh giá, lựa chọn chất hoạt động bề mặt phù hợp với điều kiện khắc nghiệt của đám cháy (nhiệt độ cao, bức xạ nhiệt mạnh, thời gian cháy dài…) nhằm nâng cao hiệu quả dập tắt đám cháy;

- Nghiên cứu các tính chất lý hóa, tính tương hợp và tính bền nhiệt của các hệ chất được chọn;

- Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn các chất hoạt động bề mặt phù hợp với bọt chữa cháy AFFF và AR-AFFF và cho giá trị sức căng bề mặt nhỏ nhất;

- Nghiên cứu sử dụng phối hợp chất hoạt động bề mặt bền nhiệt với một số hợp chất chứa silic nhằm nâng cao hiệu quả dập cháy của bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về chất tạo bọt chữa cháy

1.1.1. Giới thiệu chung về chất tạo bọt chữa cháy

Bọt chữa cháy là sản phẩm đang được sử dụng phổ biến cho các đám cháy chất rắn hoặc nhiên liệu lỏng. Nó cũng được dùng trong trường hợp ngăn sự bay hơi và cháy lại của nhiên liệu cháy (xăng, axeton, metanol, etanol…) [12-15]. Trên cơ sở các số liệu về nhu cầu sử dụng chất tạo bọt chữa cháy, các sản phẩm thường được sử dụng là:

+ Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF): là bọt chữa cháy được chế tạo từ hỗn hợp chất HĐBM hydrocarbon và fluor hóa có khả năng tạo màng nước trên bề mặt của một số nhiên liệu cháy. Sử dụng hiệu quả cho đám cháy chất lỏng không phân cực như: xăng, dầu…

+ Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (AR-AFFF): là bọt chữa cháy có độ bền chống phân huỷ khi sử dụng trên bề mặt rượu hoặc dung môi phân cực khác, được sử dụng cho chất cháy hòa tan được với nước.

+ Chất tạo bọt chữa cháy sử dụng nước biển: Được sử dụng để chữa cháy các công trình trên biển, giàn khoan…

Luận án này tập trung nghiên cứu chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước và chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu là hai loại bọt chữa cháy được sử dụng phổ biến ở các nước trên thế giới.

Có hai thông số chính để đánh giá đặc tính và hiệu quả của dung dịch bọt chữa cháy là khả năng tạo bọt và độ ổn định của bọt. Khả năng tạo bọt được định nghĩa là độ nở của dung dịch khi bọt được tạo thành, dựa vào đó có thể chia ra thành các loại:

- Chất tạo bọt chữa cháy độ nở thấp: Độ nở từ 1 - 20 lần, sử dụng chủ yếu cho các đám cháy với diện tích cháy lớn và không gian cháy mở (ngoài không khí). Có khả năng lan truyền nhanh, giúp dập nhanh đám cháy. Thường sử dụng cho các thiết bị chữa cháy di động như bình phun bọt chữa cháy, các xe chữa cháy…

- Chất tạo bọt chữa cháy có độ nở trung bình: Độ nở từ 20-200 lần: được sử dụng nhiều trong các đám cháy ở khu vực kín, không gian cháy trung bình giúp dập cháy nhanh và ngăn cản sự bốc hơi của nhiên liệu cháy.

- Chất tạo bọt chữa cháy có độ nở cao: Độ nở lớn hơn 200 lần: được sử dụng

cho đám cháy có hóa chất: thuốc trừ sâu, tạo lớp phủ lên hóa chất dễ bốc hơi và những đám cháy xảy ra trong khu vực kín, với không gian lớn như: trạm sửa chữa, bảo dưỡng máy bay, hầm mỏ, xưởng đóng tàu… có tác dụng bao phủ, lan tỏa nhanh trong khu vực cháy, ngăn cản sự bốc hơi của nhiên liệu cháy tốt hơn. Chất tạo bọt độ nở cao được sử dụng để chữa cháy ở trên cao và dưới mặt đất [16].

Độ ổn định của bọt chữa cháy được đánh giá qua thời gian bán hủy và các đặc tính của bọt (như thể tích bọt) thay đổi theo thời gian [17]. Do vậy, nó phụ thuộc vào các thay đổi của thể tích và lượng nước tiết ra từ bọt. Dung dịch có sức căng bề mặt và độ nhớt thấp hơn thường có khả năng tạo bọt cao hơn [18, 19]. Độ ổn định bọt phụ thuộc vào các chất HĐBM có trong thành phần chất tạo bọt được biểu diễn như hình 1.1. Các chất HĐBM có khả năng cải thiện tính đàn hồi của lớp màng bong bóng vì vậy làm cho bọt bền hơn, tồn tại được lâu hơn [20]. Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng các hạt nano cũng có tác dụng ổn định bọt do hấp thụ tại giao diện lỏng và không khí [21] .

Hình 1.1. Bọt được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt [22]

Tại Việt Nam, bọt chữa cháy phải đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 7278 : 2003 [23] với các chỉ tiêu:

- Độ nở từ 5,5 đến 20 lần;

- Thời gian bán hủy: ≥ 4 phút;

- pH dung dịch: 6,5 – 8;

- Tỷ trọng ở 25°C: 1,02 - 1,06 g/cm3;

- Hệ số lan truyền: > 0.